基于机器学习和多源数据的湘西北森林地上生物量估测

作     者：丁家祺 黄文丽 刘迎春 胡杨 Ding Jiaqi;Huang Wenli;Liu Yingchun;Hu Yang

作者机构：武汉大学资源与环境科学学院武汉430079 自然资源部城市国土资源监测与仿真重点实验室深圳518034 北京大学城市与环境学院北京100871 国家林业和草原局调查规划设计院北京100714 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室银川750021 

基　　金：国家自然科学基金项目(41901351) 自然资源部城市国土资源监测与仿真重点实验室开放基金项目(KF-2020-05-0076) 国家林业和草原局赤子计划项目(2018) 

出 版 物：《林业科学》 (Scientia Silvae Sinicae)

年 卷 期：2021年第57卷第10期

页      码：36-48页

摘      要：【目的】针对传统森林资源清查方法成本高、时效性低和结果统一性差等问题,基于多源遥感数据,采用机器学习算法选择特征变量并建立估测模型,制作森林地上生物量(AGB)面分布产品,为森林资源信息化调查提供技术手段。【方法】以湖南省西北部为研究区,利用生物量异速生长方程将森林资源样地调查数据转换为AGB,筛选到393个样地AGB参考值。以Landsat-8数据为光学遥感数据源,提取各波段光谱信息、植被指数、纹理特征以及缨帽变换各分量;以ALOS PALSAR-2、Sentinel-1数据为雷达遥感数据源,提取各极化方式后向散射强度和归一化极化差分指数。结合高程、坡度、坡向地形因子,获得122个备选特征变量。采用逐步回归方法和随机森林(RF)算法筛选建模变量,分别建立多元线性回归(MLR)、RF和支持向量回归(SVR)模型。以均方根误差(RMSE)、相对均方根误差(rRMSE)和决定系数(R^(2))为模型评价指标,运用十折交叉验证法评价模型效果,选择最佳模型完成生物量制图,并选取5种中国或全球尺度生物量制图产品进行比较分析。【结果】在训练集上,RF模型表现最好(RMSE=12.8 mg·hm^(-2),rRMSE=21.1%,R^(2)=0.93),其次为SVR模型(RMSE=26.1 mg·hm^(-2),rRMSE=43.3%,R^(2)=0.55),MLR模型表现最差(RMSE=30.9 mg·hm^(-2),rRMSE=50.5%,R^(2)=0.39);在测试集上,采用RF算法建立的模型表现(RMSE=30.1 mg·hm^(-2),rRMSE=51.3%,R^(2)=0.42)同样优于MLR(RMSE=32.6 mg·hm^(-2),rRMSE=54.1%,R^(2)=0.30)和SVR(RMSE=32.8 mg·hm^(-2),rRMSE=55.3%,R^(2)=0.25)。3种模型均显示出一定程度的低值高估和高值低估现象。RF模型选择出13个建模变量,包括PALSAR-2后向散射信息、高程以及Landsat-8光谱信息、植被指数、缨帽变换湿度与绿度分量差值。应用RF模型完成区域生物量制图,与其他产品对比,能够基本反映研究区内生物量分布情况,并显示出丰富的生物量分布细节信息,生物量范围为0~119 mg·hm^(-2),平均生物量为37.5 mg·hm^(-2),标准差为35.9 mg·hm^(-2)。【结论】结合多源遥感数据与机器学习算法,能够准确、快速地测算大范围生物量,具有较大应用潜力。相比SVR和MLR模型,RF模型在AGB估测上的表现更优,RF算法能够从多源变量中有效筛选出适用于AGB机器学习建模的变量。

主 题 词：森林地上生物量 多元线性回归 随机森林 支持向量回归 

学科分类：08[工学] 09[农学] 0711[理学-心理学类] 083002[083002] 0830[工学-生物工程类] 0708[理学-地球物理学类] 0804[工学-材料学] 0903[农学-动物生产类] 0816[工学-纺织类] 081602[081602] 0714[0714] 0701[理学-数学类] 081102[081102] 0811[工学-水利类] 0812[工学-测绘类] 

核心收录：

D　O　I：10.11707/j.1001-7488.20211004

馆 藏 号：203106838...